用于对真空泵排出口监测反应副产物的沉积物的装置和方法与流程

1.本发明涉及用于对真空泵排出口监测反应副产物的沉积物的装置和方法。本发明还涉及一种设置有所述监测装置的真空泵。


背景技术：

2.在真空应用中，特别是在半导体工业或薄膜沉积工艺中，真空泵输送各类气体和蒸发物质，由于压力或温度条件的变化或化学反应性质的变化，这些气体和蒸发物质可能会沉积在真空泵的内表面上。
3.反应副产物的沉积物可以是固体、聚合物或甚至粉尘。这些沉积物往往特别是积聚在真空泵的高压区或冷区中。它们减小了气体通过截面，这会降低泵送性能。气体通过截面尺寸的减小还产生压力升高，这会通过级联效应引起更大的副产物沉积。
4.因此，必须安排定期维护以经常清洁真空泵。然而，这种维护与生产率要求不相容。因此寻求监测真空泵中沉积物的形成，以便尽可能多地分隔维护操作之间的间隔。然而，困难之一在于如果不停止真空泵以对其完全或部分拆卸，就不可能观察真空泵的内部。此外，在某些应用中，真空泵内部暴露于开放空气可能是危险的。
5.许多已知的传感器技术允许监测这些沉积物及其在真空泵中的生长。
6.在涡轮分子真空泵的情况下，一种已知的方法包括测量电机的电流或磁悬浮转子的位置，以便确定可能存在副产物。电机电流或磁悬浮转子位置的变化可以提供与存在沉积物相关的信息。然而，这种方案可能不够准确，特别是因为通常太晚(仅在碰撞前几秒或几分之一秒)检测到电流的增加，不可能及时进行干预。


技术实现要素：

7.因此，本发明的一个目的是提出一种用于监测副产物的沉积物的装置和方法，其至少部分地解决了上述缺点之一。
8.为此，本发明的主题是一种用于对真空泵的排出口监测反应副产物的沉积物的装置，其特征在于该装置包括：
[0009]-热式流量计，该热式流量计包括：
[0010]-在排出口处放置在沿气体流动方向的上游位置的第一温度探针，
[0011]-放置在下游位置的第二温度探针，
[0012]-插设在这些温度探针之间的加热元件，
[0013]-将这些温度探针和加热元件彼此隔绝的基板，和
[0014]-处理单元，该处理单元被配置为通过热式流量计执行测量，以便根据通过热式流量计测定的流量与通过真空泵泵送的气体的流量的估计值之间的差异，来确定排出口处的反应副产物的沉积物的存在。
[0015]
因此，该监测装置允许更准确地并尽可能早地检测到在真空泵的排出口处存在沉积物。
[0016]
该监测装置还可单独地或组合地包括下文所述特征中的一个或多个特征。
[0017]
热式流量计可以是mems部件。
[0018]
该监测装置还可包括压力传感器，该压力传感器被配置为确定真空泵的排出口处的压力，处理单元被配置为基于与电机的功率参数和来自压力传感器的测量值有关的信息来估计泵送气体流量。于是，可从仅经由真空泵获取的信息中得到泵送气体流量的估计值，也就是说，无需获得与在真空泵上游引入的气体的数量和性质有关的信息。
[0019]
真空泵的电机的功率参数可以是电流。
[0020]
处理单元可被配置为与借助于真空泵减压的处理室通信，以估计泵送气体流量。因而，由处理室传输到处理单元的信息可允许准确地估计泵送气体流量的值。
[0021]
本发明的另一主题是一种真空泵，该真空泵包括：
[0022]-包括入口孔和出口孔的定子，
[0023]-至少一个转子，该转子布置在定子中并且构造成驱动气体在入口孔与出口孔之间被泵送，
[0024]
其特征在于，该真空泵还包括如上所述的监测装置，热式流量计布置在所述真空泵内部。
[0025]
因此，该监测装置允许更准确地和尽可能早地检测出真空泵排出口中沉积物的存在，这使得可以更好地管理维护干预工作的日程。监测可以就地进行，也就是说无需拆卸真空泵。测量装置是非侵入式的。它不会产生压力或密封损失。它没有运动部件，这限制了发生故障的可能性。
[0026]
热式流量计例如布置在排出口的导管中。
[0027]
该真空泵例如是涡轮分子真空泵。
[0028]
根据另一示例，该真空泵是粗真空泵，其包括两个转子，所述两个转子构造成在至少一个泵送级中反向同步旋转，以驱动气体在入口孔与出口孔之间被泵送。
[0029]
本发明的又一个主题是一种借助于如上所述的监测装置对真空泵的排出口监测反应副产物的沉积物的方法，其中通过热式流量计执行测量，以便根据通过热式流量计测定的流量与由真空泵泵送的气体的流量的估计值之间的差异，来确定排出口处的反应副产物的沉积物的存在。
[0030]
可以对热式流量计的加热元件供电，以便按照分隔开10小时以上的间隔执行测量，例如每日测量。热式流量计的测量持续时间可以小于几分钟，例如小于两分钟，甚至小于一分钟。在涡轮分子真空泵中、尤其是在诸如蚀刻设备的半导体制造工艺中观察到的最高沉积速率通常为每周小于1mm，即每小时约5μm，因此相对较低的测量频率就足以观察沉积物的出现。通过由于从加热元件输入热量来防止在流量计的尖端处沉积可冷凝物质，将测量的持续时间限制在每天几秒钟防止了通过热式流量计执行的测量能够篡改结果。事实上，在高温下沉积物会减少，甚至不存在。
[0031]
沉积物的厚度可根据热式流量计的测量结果的偏差值来评估。
[0032]
用于监测沉积物的方法可以包括初步校准步骤，其中记录针对真空泵中的预定气体流量获得的热式流量计的至少一个测量值。在初步校准步骤中收集的各种数据可以允许更好地解释通过热式流量计测量的值，尤其是根据泵送气体流量、泵送气体种类、沉积物的性质和沉积物的厚度。
[0033]
这些测量可针对将在连接到真空泵的处理室中执行的配方/方案中定义的气体的流量和性质值执行，尤其是针对这些配方的特征步骤。
[0034]
例如，当监测方法提供在特定绝限执行的测量并且知悉当时的被泵送气体的气体流量和气体性质时，初步校准步骤可记录针对该特定操作点的气体流量和性质的值通过热式流量计获得的测量值。
附图说明
[0035]
本发明的其它目的、特征和优点将从以下参考附图给出的对特定实施例的描述中显现，在附图中：
[0036]
[图1]图1示出了连接到真空管线的制造设备的处理室的示意图。
[0037]
[图2]图2示出了布置在图1的真空管线的排出管道中的热式流量计的示意图，并且其中示意性示出了在没有气流和没有沉积物的情况下的热分布。
[0038]
[图3]图3示出了在存在气流的情况下类似于图2的热式流量计的视图。
[0039]
[图4]图4示出了在存在气流和沉积物的情况下类似于图3的热式流量计的视图。
[0040]
[图5]图5示出了涡轮分子真空泵的示意性截面图。
[0041]
[图6]图6示出了真空泵的另一示例性实施例的各元件的局部示意图。
[0042]
图中，相同的元件具有相同的附图标记。附图被简化以便于理解。
具体实施方式
[0043]
以下实施例是示例。尽管说明书涉及一个或多个实施例，但这并不必然意味着每次提及都涉及同一实施例，或者该特征仅适用于单个实施例。不同实施例的简单特征也可以组合或互换以提供其他实施例。
[0044]“上游”应理解为意指一个元件相对于气体流动方向放置在另一元件之前。另一方面，“下游”应理解为意指一个元件相对于要泵送的气体的循环方向放置在另一元件之后。
[0045]
图1示出了用于制造例如平面显示屏或光伏基板或半导体基板(晶片)的设备101的示例。
[0046]
设备101包括连接到真空管线的处理室102，该真空管线包括涡轮分子真空泵1，涡轮分子真空泵1本身通过排出管道103布置在粗真空泵100的上游。
[0047]
在图1中还可以看出，真空管线包括用于监测真空泵1的排出口7处的反应副产物的沉积物的装置200。
[0048]
监测装置200包括热式流量计20和处理单元22。
[0049]
热式流量计20可在涡轮分子真空泵1的排出口7处，如稍后将看到的布置在涡轮分子真空泵1本身中或如图1所示布置在连接到涡轮分子真空泵1的出口的排出管道103中；或者，可在粗真空泵100的排出口处，布置在粗真空泵100中或布置在连接到粗真空泵100的出口的管道中。
[0050]
在图1的第一示例中，热式流量计20布置在排出管道103中，排出管道103连接到涡轮分子真空泵1的出口孔8。
[0051]
热式流量计20用于测量在导管或管道中流动的气体的流量。热式流量计20的原理是基于通过流体对流进行的传热。如本身已知的，热式流量计20包括两个温度探针：在气体
流动方向上的上游位置放置在排出口7处的第一温度探针23和放置在下游位置的第二温度探针24(图2)。
[0052]
热式流量计20还包括介设在温度探针23和24之间的加热元件25，以及将温度探针23和24与加热元件25彼此隔绝的基板26。加热元件25例如是加热电阻器。温度探针23、24例如是热敏电阻。基板26例如封装温度探针23、24，从而使它们彼此电绝缘和热绝缘，并保护它们免受可能的气体侵蚀。
[0053]
例如，温度探针23、24与加热元件25等距地设置。温度探针23、24和加热元件25可以沿着平行于排出管道103的轴线的直线对齐，热式流量计20布置在排出管道103中。
[0054]
为了通过热式流量计20执行测量，向加热元件25供电，加热元件25加热到例如100℃，并且对温度探针23、24之间的温度差进行测量。
[0055]
当排出管道103中没有气体流动时，由加热元件25散出的热量均匀地分布在加热元件25周围(图2)。温度探针23、24允许测量第一温度差，当探针23、24与加热元件25等距时，第一温度差为零。
[0056]
当气流在排出管道103中流动时，热对流降低了由放置在上游的第一温度探针23测量的温度，并升高了由放置在下游的第二温度探针24测量的温度(图3)。此时在温度探针23、24之间观察到的温度差大于在没有气流循环的情况下可以观察到的温度差。该差异允许由此推导出气体流量的测量值。
[0057]
热式流量计20可以是由半导体材料制造的mems(微机电系统)部件。则热式流量计20的尺寸小于一厘米。
[0058]
处理单元22包括控制器或微控制器或计算机或可编程逻辑控制器以及计算机程序，其被配置为实施用于监测真空泵1的排出口处的反应副产物的沉积物的方法。处理单元22例如是真空泵1的控制器，其尤其允许控制真空泵1的转子的旋转频率。
[0059]
处理单元22被配置为通过热式流量计20执行测量，以便根据由热式流量计20测得的流量与由真空泵1泵送的气体的流量的估计值之间的差异，来判断排出口7处有无反应副产物的沉积物。
[0060]
泵送气体流量的估计值可以仅从真空泵1可获得的信息中得到，也就是说，无需获得与在真空泵1上游引入的气体的数量和性质有关的信息。
[0061]
为此，根据一个示例性实施例，监测装置200包括压力传感器21，该压力传感器21被配置为确定真空泵1的排出口7处的压力(图1)。
[0062]
处理单元22因而被配置为根据与真空泵1的电机16的功率参数有关的信息和压力传感器21的测量值来估计泵送气体流量。
[0063]
真空泵1的电机16的功率参数例如是电流。电机16消耗的电流和真空泵1的排出口7处的压力取决于气体流量和被泵送气体的性质。通过测量排出口7处的压力并了解电机16消耗的电流，可以估计泵送气体流量值，其可以与通过热式流量计20测量的值进行比较。
[0064]
根据另一示例性实施例，处理单元22被配置为与借助于真空泵1减压的处理室102通信，以估计泵送气体流量。处理室102使用以下配方/方案：其定义了被引入腔室的气体的持续时间、性质、流量和压力。这些配方或这些配方的要素是能够由处理室102传输到处理单元22的信息，处理单元22然后可以准确地估计泵送气体流量值。由腔室102传输的信息可以是数字信号或干接点等。
[0065]
通过热式流量计20测量的值与泵送气体流量的估计值之间的差异的变化使得可以确定管道103中反应副产物的沉积物27的存在(图4)。
[0066]
事实上，在没有沉积物的情况下，对于例如通过压力测量值和消耗的电机电流来识别的气体的同一流量和同一性质，通过温度探针23、24测定的温度之间的差异是相同的。
[0067]
然而，当排出管道103的内壁上、特别是在热式流量计20上出现沉积物27时，则会观察到所测温度的差异的变化。沉积在温度探针23、24上的一层沉积物27减少了向放置在下游的第二温度探针24的传热(图4)。对于同一种气体的相同流量而言，通过第二温度探针24测定的温度相对于没有沉积物的情形(图3)降低。因此，对于同一种气体的相同流量而言，在存在沉积物的情况下，通过热式流量计20测定的流量是不同的。
[0068]
在通过热式流量计20测定的流量与借助于例如压力测量值和消耗电流值估计的泵送气体流量值之间观察到的差异使得可以推断存在反应副产物的沉积物27。
[0069]
热式流量计20的测量持续时间可以少于两分钟，例如少于一分钟。例如通过热式流量计20以分隔开10小时以上的间隔执行测量，例如每日测量。
[0070]
在涡轮分子真空泵1中、尤其是在诸如蚀刻设备的半导体制造过程中观察到的最高沉积速率通常每周小于1mm，即每小时大约5μm，因此相对较低的测量频率就足以观察到沉积物的出现。通过由于从加热元件25输入热量而防止在流量计20的尖端处沉积可冷凝物质，将测量的持续时间限制在每天几秒钟防止了通过热式流量计20执行的测量能够篡改结果。事实上，在高温下沉积物会减少，甚至不存在。
[0071]
还可以根据热式流量计20给出的测量值的偏差值来评估沉积物27的厚度。通过热式流量计20测定的温度差相对于预期值的偏差越大，沉积物27的厚度就越大。
[0072]
该监测方法还可以包括初步校准步骤，其中，将针对由真空泵1泵送的气体的预定流量获得的、来自热式流量计20的至少一个测量值记录在处理单元22中。
[0073]
例如，记录针对由真空泵1泵送的不同气体流量和/或不同气体种类的来自热式流量计20的若干测量值。
[0074]
可以针对要在连接到真空泵1的处理室102中执行的配方中所定义的气体的流量和性质的值来执行这些测量。
[0075]
可以针对这些配方的特征步骤执行这些测量。
[0076]
例如，当监测方法提供在特定绝限执行的测量并且知悉当时被泵送气体的气体流量和性质时，初步校准步骤可记录针对在该特定操作点的气体流量值和气体性质通过热式流量计20获得的测量值。
[0077]
这些测量可以在排出管道103的内壁上存在沉积物27的情况下执行，例如针对沉积物27的几种厚度，以允许根据来自热式流量计20的测量值的偏差估值来评估沉积物27的厚度。
[0078]
这些测量也可以在没有沉积物的情况下进行，例如在每次维护操作之后，在开机时，此时排出管道103中没有沉积物。然后可以将在监测方法期间执行的测量与这些参考值进行比较。
[0079]
能够在初步校准步骤期间收集的各种数据可以允许更好地解释通过热式流量计20测量的值，尤其是根据泵送气体的流量、泵送的气体种类、沉积物的性质以及沉积物的厚度。
[0080]
从刚才描述的内容可以理解，该监测方法和装置允许在尽可能早的时刻更准确地检测出真空泵1的排出口7处存在沉积物。
[0081]
图5示出了第二示例性实施例，其中热式流量计20布置在涡轮分子真空泵1内部。
[0082]
如在该图中更具体地看出的，涡轮分子真空泵1包括定子2和转子3，转子3布置在定子2中，并且构造成驱动气体沿图5中的箭头表示的气体流动方向在定子2的入口孔6和出口孔8之间被泵送。
[0083]
真空泵1包括涡轮分子级4和沿气体流动方向位于涡轮分子级4下游的分子级5。被泵送的气体通过入口孔6进入，首先经过涡轮分子级4，再经过分子级5，然后经过排气口7，以便随后通过真空泵1的出口孔8排出。出口孔8连接到粗真空泵。
[0084]
在涡轮分子级4中，转子3包括至少两级叶片9，定子2包括至少一级翅片10。成级的叶片9和翅片10在涡轮分子级4中沿着转子3的旋转轴线i-i彼此轴向跟随。转子3包括例如四级以上的叶片9，例如在四级与八级之间的叶片9(在图1所示的示例中为六级)。
[0085]
转子3的每一级叶片9都包括从转子3的轮毂11大致径向延伸的倾斜叶片，该轮毂11固定在涡轮分子真空泵1的轴12上。叶片9均匀地分布在轮毂11的外周上。
[0086]
定子2的每一级翅片10都包括冠环(crown ring)，从该冠环沿大致径向方向延伸出倾斜翅片，这些倾斜翅片均匀分布在冠环的内周上。定子2的一级翅片10中的各翅片接合在转子3的连续两级叶片9中的各叶片之间。转子3的叶片和定子2的翅片是倾斜的以将被泵送的气体分子引导到分子级5。
[0087]
根据一个示例性实施例，转子3包括在分子级5中的holweck裙部13，其由对着定子2的螺旋槽形成回转形状的光滑圆柱体形成。螺旋槽允许泵送气体被压缩和引导至排出口7。
[0088]
转子3固定在轴12上，轴12借助于涡轮分子真空泵1的电机16被驱动以便在定子2中以高轴向转速旋转，例如以每分钟超过20000转的速度旋转。电机16例如布置在定子2的罩盖下方，该罩盖本身布置在转子3的holweck裙部13下方。转子3由磁性或机械轴承18侧向和轴向引导。真空泵1还可包括支持性的滚动轴承19。
[0089]
热式流量计20放置在真空泵1内部的排出口7处，排出口7对应于转子3的出口——也就是说，这里是holweck裙部13的端部——与出口孔8之间所包含的容积，并且热式流量计20处于以下部位：在此部位，真空泵1中不再压缩气体但压力最高且沉积风险最大。
[0090]
例如，热式流量计20布置在排出口7的导管14——也就是说，通常具有真空联接器的标准直径并穿过出口孔8的管道——中。
[0091]
与前面的示例中一样，处理单元22被配置为通过热式流量计20执行测量，以便根据由热式流量计20测定的流量与真空泵1泵送的气体流量的估计值之间的差异，来确定真空泵1的排出口7处的反应副产物的沉积物的存在。
[0092]
如前文所述，可以仅由可从真空泵1获得的信息来得到泵送气体流量的估计值，也就是说，无需获得与引入真空泵1上游的气体的数量和性质有关的信息。
[0093]
为此，根据一个示例性实施例，监测装置200包括压力传感器21，该压力传感器21被配置为确定真空泵1的排出口7处的压力。压力传感器21例如也布置在定子2的导管14中。
[0094]
在通过热式流量计20测定的流量与借助于例如压力测量值和所消耗电流值得到的泵送气体流量的估计值之间所观察到的差异使得可以推断存在反应副产物的沉积物27。
[0095]
因此，监测装置200允许在尽可能早的时刻更准确地检测出真空泵1的排出口7中沉积物的存在，这允许更好地管理维护干预工作的日程。
[0096]
监测可以现场进行，也就是说无需拆卸真空泵1。测量装置是非侵入式的。它不会产生压力或密封损失。它没有任何运动部件，这限制了出现故障的可能性。
[0097]
图6示出了第三示例性实施例，其中热式流量计20布置在粗真空泵100内部。
[0098]
如该图所示，粗真空泵100包括定子2，其形成串联安装在定子2的入口孔6和出口孔8之间的至少一个泵送级，例如二到十个泵送级，这里为五个泵送级，待泵送的气体可在其中循环。
[0099]
与真空泵100的入口孔6连通的泵送级是第一泵送级或最低压力级，与出口孔8连通的泵送级是最后一个泵送级或最高压力级。
[0100]
真空泵1还包括两个转子300，这些转子300布置在定子2中并且构造成在这些泵送级中反向同步旋转以驱动气体在入口孔6和出口孔8之间被泵送。转子300例如具有相同轮廓的叶片，例如属于具有两个叶片、三个叶片或更多叶片的“罗茨”类型，或属于“爪”类型，或基于另一类似的容积式真空泵原理。
[0101]
在操作中，转子300由电机驱动旋转，该电机例如布置在真空泵1的一端，例如布置在出口孔8侧。
[0102]
在旋转期间，从入口孔6吸入的气体被捕获在由泵送级的转子300和定子2形成的容积中，然后被压缩并被驱动到出口和下一级。真空泵100被称为“干式”，因为在运行中，转子300在定子2内部旋转，这些转子之间或这些转子与定子2之间没有机械接触，但间隙非常小，这允许压缩室中不存在油。
[0103]
在此实施例中，排出口7由最后一个泵送级的转子300的出口与出口孔8之间所包含的容积限定，并且位于以下部位处：在该部位，不再有气体的压缩，但压力最高且沉积风险最大。
[0104]
热式流量计20例如布置在排出口7的导管中，也就是说，布置在通常具有真空联接器的标准直径的管道中，该真空联接器将最后一个泵送级的转子300的出口连接到出口孔8。